■許睦暉

(廈門合誠工程檢測有限公司，廈門 361027)

1 引言

隧道內(nèi)安裝隧道風(fēng)機是為了輸送和調(diào)節(jié)空氣或排除煙塵，以確保隧道建設(shè)及運營的安全和舒適。一般為了不占用交通面積會專門修建通風(fēng)道，將風(fēng)機設(shè)計懸掛在隧道頂部。風(fēng)機自重可達1t，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》JTG/T D70/2-02-2014中規(guī)定風(fēng)機的支承結(jié)構(gòu)承載力不應(yīng)小于15倍風(fēng)機自重，因此安裝風(fēng)機前應(yīng)做支承結(jié)構(gòu)的承載力檢測。本文研究的內(nèi)容是提出一種風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力的檢測方法以彌補現(xiàn)有的檢測方法空白。研究表明，對一種構(gòu)件的承載力檢測需要建立一個靜定結(jié)構(gòu)，使被測構(gòu)件處于平衡地受力狀態(tài)下檢測其結(jié)構(gòu)變形情況。因此，本文研究的重點在于制定一種檢測方法，能夠直觀地檢測出風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)的承載力；研究的難點在于設(shè)計一種針對懸空構(gòu)件的反力裝置，該反力裝置應(yīng)能夠支撐檢測工作的順利開展。

2 研究方向與內(nèi)容

隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)的具有多樣性的特點，本文著力于研究一種簡單易行、便于攜帶且可重復(fù)利用的風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測試驗裝置，以及能夠合理評價風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力的檢測方法，并在研究過程中對多種隧道支承結(jié)構(gòu)進行承載力檢測，以驗證檢測方法的可行性。

風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)包括預(yù)埋在拱頂?shù)匿摪搴秃附釉阡摪迳系膬蓚?cè)翼板或U型槽。預(yù)埋件、翼板(或U型槽)和隧道襯砌組成一個受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)機通過焊接或螺栓連接在翼板(或U型槽)上。進行風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)荷載檢測需要制作一個配套的試驗反力裝置，用油壓千斤頂分級加荷至15倍風(fēng)機自重，觀察加荷過程中受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以判定風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求。

2.1 風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測的反力裝置研究

將預(yù)埋鋼板、翼板(或U型槽)和反力裝置連接在一起，形成一個平衡地受力結(jié)構(gòu)：在兩側(cè)翼板(或U型槽)的下端分別通過鋼絲繩組件與鋼墊板的兩端連接。鋼絲繩組件由鋼絲繩和二組以上鋼絲繩卡子組成，鋼絲繩的兩端繞成一個圓環(huán)且通過鋼絲繩卡子將圓環(huán)固定，兩根鋼絲繩組件下端的圓環(huán)通過固定螺栓與鋼墊板連接。鋼墊板上設(shè)有四個預(yù)留方形孔，每個方形孔下方兩側(cè)各焊有一個用于連接鋼絲繩的固定部件，固定部件留有可安裝固定螺絲的圓孔。支承結(jié)構(gòu)、鋼絲繩組件、鋼墊板構(gòu)成懸索拉桿式結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整鋼絲繩組件與鋼墊板間的夾角，最大程度地滿足各種形式的風(fēng)機預(yù)埋件檢測作業(yè)需求。本裝置可拆卸重復(fù)利用，對主體結(jié)構(gòu)無任何損傷，是一種通用性強，安全可靠，適合多種工況的檢測裝置，檢測效率高。

(1)斜板式風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)常用承載力檢驗裝置

斜板式風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)應(yīng)將預(yù)埋鋼板和翼板看成一個整體，反力裝置的設(shè)計有兩種方式，一種是根據(jù)翼板的結(jié)構(gòu)尺寸訂制固定的底板，用螺栓連接，如圖1所示；另一種是用鋼絲繩連接翼板與底板，可靈活調(diào)整應(yīng)對不同結(jié)構(gòu)尺寸的支承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

(2)U型槽式風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)常用承載力檢驗裝置

U型槽式風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)受力結(jié)構(gòu)為預(yù)埋板和U型槽，反力裝置的設(shè)計也有兩種，一種是由鋼筋、鋼掛鉤和固定底板連接，其裝置應(yīng)按U型槽的結(jié)構(gòu)尺寸進行訂制，如圖3所示；另一種是由鋼絲繩和底板組成，可根據(jù)U型槽的結(jié)構(gòu)尺寸進行靈活調(diào)整，如圖4所示。

圖1 固定底板式

圖2 鋼絲繩式

圖3 固定鋼板式

2.2 反力裝置的受力分析

圖4 鋼絲繩式

從上述的裝置設(shè)計可以看出，采用鋼絲繩式反力裝置靈活便攜。下面重點對該裝置進行受力分析：該裝置的關(guān)鍵構(gòu)件為鋼絲繩、連接螺栓與鋼筋，需對關(guān)鍵構(gòu)件進行安全性驗算。根據(jù)對隧道風(fēng)機的調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道風(fēng)機的自重一般小于1 t，驗算時取隧道風(fēng)機的自重為1 t作為最不利荷載，最不利狀態(tài)為單根鋼絲繩承受全部荷載。

對裝置的受力分析采用靜力學(xué)的基本原理進行簡化計算，鋼板底座焊接有兩槽鋼，荷載垂直作用于鋼板中心，因此在進行受力分析時，可將施加的荷載分解為F/2，鋼絲繩的受力如圖5所示。

圖5 裝置受力示意圖

對鋼絲繩受力分析：

式中F依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》JTG/T D70/2-02-2014計算試驗荷載值：F=15·γ·G，其中：G為隧道風(fēng)機自重(kN)；γ為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1，則最大荷載F=165kN。

由靜力平衡條件可知：F、T1、T2作用線共點，所以：α=β，T1=T2。

依據(jù)裝置的受力分析，可知鋼絲繩所受的拉力大小與α、β的角度有關(guān)，即與鋼絲繩長度和伸長量有關(guān)。該試驗裝置通過調(diào)節(jié)鋼絲繩鎖扣控制鋼絲繩的長度，由以上所列公式可知角度越大安全性越高，根據(jù)實際可操作性、受力情況和試驗安全性等綜合考慮，α、β角度的取值范圍為 45°～75°，當角度為 45°時 T1、T2為最大值，表 1 為角度為45°時鋼絲繩受力計算結(jié)果。

表1 鋼絲繩受力計算表

從計算結(jié)果可以看出鋼絲繩的安全系數(shù)達到1.69，具有足夠的安全儲備。

3 風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測方法

本檢測方法參照混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的試驗方法進行，試驗前期準備需調(diào)整鋼絲繩的長度及對鋼絲繩的繩扣擰緊加固，安裝千斤頂。

(1)對支承結(jié)構(gòu)進行量測，計算鋼絲繩所需的長度，保證在承載時鋼絲繩與水平面的夾角在45°～75°之間，安裝隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測裝置，用螺栓或普通鋼筋將測試裝置與風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)緊固形成閉合的支承平臺，在封閉平臺上鋪放反力鋼板。

(2)安裝千斤頂并調(diào)整高度與位置，使其與隧道頂部保持適當距離，保證千斤頂上下部位分別與隧道頂部和測試平臺接觸密實緊貼。

(3)施加荷載

①對整個系統(tǒng)實行預(yù)加載，加載荷載為預(yù)計最大荷載的10%，卸載，調(diào)整加載裝置。

②施加分級試驗荷載：以風(fēng)機靜荷載(風(fēng)機自重)的15倍作為目標荷載，分5級進行加載，加載應(yīng)以10～30kN/min的速率勻速增加；每級持荷時間不應(yīng)少于表2的規(guī)定，觀測風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)與周邊部位是否發(fā)生異常，并記錄。

表2 試驗加載等級與觀測時間

如有下列異常，應(yīng)立刻停止加載，及時卸載并撤離人員：發(fā)生混凝土剝落、裂縫明顯擴展、聽到異常的聲音等；千斤頂油壓急劇下降，或持荷時間內(nèi)油表不能維持穩(wěn)定。

③觀測混凝土裂紋發(fā)展情況：如果試驗前預(yù)埋件周邊混凝土存在裂紋，應(yīng)按照規(guī)定持續(xù)加載最大試驗荷載時間，以檢驗周邊混凝土裂紋的發(fā)展情況。

(4)結(jié)束試驗：打開回油閥將千斤頂復(fù)位，依次卸下球形支座、千斤頂、鋼墊塊、反力裝置。

(5)在隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測過程中出現(xiàn)下列情況可認為檢測不合格：

① 支承結(jié)構(gòu)焊(連)接件開焊、變形、破壞、脫落。

②預(yù)埋板變形、破壞、松動、脫落。

③ 加載后，支承結(jié)構(gòu)位移量持續(xù)增加，且荷載不能維持穩(wěn)定。

3 工程案例及結(jié)果分析

按照上述檢測方法，對兩個隧道工程進行了風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力試驗，檢測結(jié)果分析如下：

3.1 某隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測

本項目風(fēng)機自重0.55t，在實施承載力檢測時，達到檢驗荷載后未發(fā)現(xiàn)預(yù)埋件松動、變形和脫落現(xiàn)象，且周邊混凝土也未發(fā)現(xiàn)開裂，說明在風(fēng)機自重15倍的荷載下支承結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。檢測結(jié)果詳見表3，現(xiàn)場檢測圖片見圖6和圖7。

表3 某隧道支承結(jié)構(gòu)承載力檢測結(jié)果

圖6 鋼絲繩式反力裝置

圖7 支承結(jié)構(gòu)加載過程

3.2 某隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測

本項目隧道風(fēng)機自重0.85t，對左洞兩個風(fēng)機進行了承載力檢測，在最大力不到檢驗荷載的60%情況下預(yù)埋件就出現(xiàn)松動現(xiàn)象，周邊混凝土也發(fā)生了開裂，分析其原因，發(fā)現(xiàn)是在施工過程中預(yù)埋鋼板與襯砌鋼筋連接有缺陷，未達到設(shè)計要求；襯砌混凝土的施工質(zhì)量低于設(shè)計要求，導(dǎo)致在千斤頂頂升過程中裂縫發(fā)展較快。檢測結(jié)果詳見表4，現(xiàn)場檢測圖片見圖8。

表4 某隧道風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測結(jié)果

圖8 支承結(jié)構(gòu)加載過程

4 結(jié)論

(1)通過對風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)承載力檢測方法和設(shè)備研究與應(yīng)用，對其檢測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明本檢測方法和裝置具有以下優(yōu)點：

①能夠較好地直觀地反映風(fēng)機裝置的施工實際水平，及時提供檢測數(shù)據(jù)；

②該裝置制作簡單易行、便于攜帶，可重復(fù)利用；

③該裝置靈活可調(diào)整，實用性較強。

(2)通過對風(fēng)機支承結(jié)構(gòu)的承載力檢測，對風(fēng)機的施工質(zhì)量提供了強有力的保障：一是在施工過程中預(yù)埋鋼板與襯砌鋼筋的連接、混凝土質(zhì)量嚴格按設(shè)計要求進行施工；二是土建施工時重視預(yù)埋鋼板的重要性，及時采取有效措施糾正支承結(jié)構(gòu)承載力不足的現(xiàn)象，從而保證運營時期的風(fēng)機安全性。